中小河流生態(tài)治理河道斷面優(yōu)化

趙寶平

（中國(guó)安能集團(tuán)第三工程局有限公司重慶分公司，重慶401307）

我國(guó)是世界上河流最多的國(guó)家之一。目前我國(guó)南方受雨水季節(jié)的影響，中小河流常受到雨水沖刷的影響，導(dǎo)致河道沖刷和破損嚴(yán)重，引發(fā)洪水泛濫，造成村莊居民的房屋及財(cái)產(chǎn)受到損失，同時(shí)破壞周邊的生態(tài)環(huán)境［1］。如何有效地治理中小河流，是當(dāng)前急需解決的一個(gè)問題。但目前我國(guó)中小河流生態(tài)治理方式出現(xiàn)生態(tài)形式和功能多樣，比如護(hù)坡和擋墻形式，隨意性較大，未能體現(xiàn)生態(tài)治理和優(yōu)化治理的理念，同時(shí)增加中小河流治理的成本。因此，在中小河流治理過程，有必要結(jié)合生態(tài)文明理念，以降低治理成本為落腳點(diǎn)，研究中小河流治理的優(yōu)化方案。本文通過這一系列研究，制定、量化和確定現(xiàn)實(shí)中的中小河流管理標(biāo)準(zhǔn)，更好實(shí)施了中小河流的生態(tài)管理。

1 中小河流生態(tài)治理現(xiàn)狀

經(jīng)過幾年的發(fā)展和完善，管理中小河流的目標(biāo)和理念已逐漸成為我國(guó)生態(tài)管理的總體目標(biāo)之一。我國(guó)南方中小河流生態(tài)治理標(biāo)準(zhǔn)從目前治理現(xiàn)狀來看，標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，形式單一，不利于我國(guó)中小河流生態(tài)治理的健康發(fā)展。通過實(shí)地調(diào)查局部地段中小河流水系，對(duì)調(diào)研區(qū)域的中小河流的治理現(xiàn)狀及周邊生態(tài)情況進(jìn)行分析，總結(jié)中小河流的治理措施及存在的問題，為經(jīng)濟(jì)分析奠定基礎(chǔ)。

1.1 調(diào)研內(nèi)容

通過對(duì)贛州至廣東鶴山市水系沿線的中小河流治理現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研，調(diào)查具有代表性的城鎮(zhèn)中小型河流的名稱、管理河流的長(zhǎng)度、平均河底寬度、流量、垂直減少率以及竣工后的綜合評(píng)價(jià)。通過調(diào)查中小河流的河道地貌、治理方式及周邊的生態(tài)環(huán)境，分析河道治理特點(diǎn)及存在的問題。

1.2 調(diào)研概述

1.2.1 調(diào)研范圍

以江西省贛州市于都縣和廣東省鶴山市中小型河道整治工程為研究對(duì)象。先后考察了幾十個(gè)中小型河道整治工程所在的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，根據(jù)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的中小河流治理的特點(diǎn)及現(xiàn)狀，重點(diǎn)選取兩個(gè)具有代表性的鄉(xiāng)鎮(zhèn)河流進(jìn)行分析，分別為銀坑鎮(zhèn)河流和新陂鄉(xiāng)河流。

1.2.2 調(diào)研區(qū)簡(jiǎn)述

（1）銀坑鎮(zhèn)河流概況

銀坑鎮(zhèn)位于于都北部，總面積170.88 km2。受地殼運(yùn)動(dòng)的影響，銀坑鎮(zhèn)西北部形成了平緩的高山，東部地勢(shì)平緩，中部為長(zhǎng)條形盆地。在與村民的調(diào)查和討論中，了解到鎮(zhèn)上建立了一個(gè)水廠，作為為生活用水引入河流沿岸的居民。但原巖前河受到泥沙淤積的污染，岸坡又松又滑，不能用作生活用水。水流質(zhì)量下降，影響居民的健康生活，同時(shí)河道生態(tài)治理混亂，不能滿足生態(tài)治理要求［2］。

（2）新陂鄉(xiāng)河流概況

該鄉(xiāng)鎮(zhèn)位于于都縣，新陂鄉(xiāng)河流年蒸發(fā)量約1200 mm。通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，該區(qū)域河流寬度大，三分之一的河道被潮汐平原占據(jù)。河道內(nèi)雜草叢生，河道兩側(cè)采用擋墻結(jié)構(gòu)，兩岸植被綠化繁盛，但整體缺乏規(guī)劃和治理，生態(tài)環(huán)境近年來逐漸出現(xiàn)惡化。河流漫水高度逐年上漲，已逐步破壞周邊的自然生態(tài)。

1.3 中小河流治理情況匯總

通過調(diào)研，中小河流的治理范圍主要集中在城鎮(zhèn)。河的左右兩邊大部分是街道和農(nóng)田。河底寬度在4 m～100 m之間。河道的斷面形式基本采用梯形形狀，該形式開挖方便，但需占用較大面積。據(jù)統(tǒng)計(jì)，梯形部分的大部分斜率是1∶2～1∶3。對(duì)于未采取防護(hù)措施的河岸，部分天然河岸邊坡采用干石擋土墻和草坪護(hù)坡。既有工程原部分采用干石邊坡加高加厚處理，取代生態(tài)復(fù)式斷面。

1.4 中小河流治理存在的問題

（1）距離生態(tài)治理的目標(biāo)還存在一定的差距，甚至違背生態(tài)治理理念。

（2）河道整治工程斷面設(shè)計(jì)存在問題。大部分的設(shè)計(jì)都是基于經(jīng)驗(yàn)，在斷面設(shè)計(jì)時(shí)存在較大的隨意性。

（3）河段邊坡治理一般采用多段多形式生態(tài)護(hù)坡相結(jié)合的方法。但調(diào)查發(fā)現(xiàn)，橫斷面邊坡防護(hù)形式單一，大部分采用同一類型的邊坡防護(hù)。

（4）對(duì)不符合防洪標(biāo)準(zhǔn)的河道需要加高處理時(shí)，往往較多的依靠經(jīng)驗(yàn)，在原堤壩位置直接加高，沒有對(duì)河道的加高高度進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析。

通過對(duì)江西贛州于都縣和廣東鶴山市治理現(xiàn)狀的調(diào)查，可以了解治理部門的現(xiàn)狀和存在的問題。調(diào)查該區(qū)域中小河流的現(xiàn)狀，同時(shí)對(duì)常用的河段形式、河坡和橫斷面護(hù)坡形式進(jìn)行總結(jié)。在河道斷面管理過程中，設(shè)計(jì)斷面未采用經(jīng)濟(jì)分析，斷面設(shè)計(jì)盲目依據(jù)經(jīng)驗(yàn)。結(jié)果形成單一的斷面、單一的坡面和單一的護(hù)坡形式，不利于中小河流的生態(tài)管理要求。

2 基于經(jīng)濟(jì)分析的生態(tài)治理河道斷面優(yōu)化

在中小河流河道治理的方式中，通常采用河道護(hù)坡治理方式單一，一般考慮的是最佳水利斷面。但在生態(tài)治理要求下，只考慮最佳水利對(duì)河道治理斷面進(jìn)行設(shè)計(jì)，無法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)要求，需采用復(fù)合斷面形式。

2.1 生態(tài)治理復(fù)合斷面

復(fù)合斷面形式，如在坡腳等容易變形和侵蝕的地方放置石籠和其他強(qiáng)化防沖生態(tài)材料，并對(duì)長(zhǎng)期低于正常水位的再生塊體和生態(tài)袋進(jìn)行保護(hù)。可選擇生態(tài)護(hù)坡材料，例如美人蕉、荔枝等多色植物可以種植在正常水位以上的岸坡上，親水效果好。生態(tài)處理復(fù)合段可根據(jù)河段不同部位選擇合適的生態(tài)護(hù)坡形式。

2.2 生態(tài)復(fù)式斷面經(jīng)濟(jì)優(yōu)化研究

2.2.1 優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)建立

目標(biāo)函數(shù)的建立以單位工程造價(jià)為研究目標(biāo)，主要包含河道開挖費(fèi)用、河道兩側(cè)護(hù)坡費(fèi)用（分水面上和水面下兩部分）。具體參數(shù)見圖1。

圖1 梯形河道斷面模型

優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)表示如下：

式中：C1為水下生態(tài)護(hù)坡單價(jià)，元/m3；C2為水上生態(tài)護(hù)坡單價(jià)，元/m3；C3為河道開挖土方單價(jià)，元/m3；Vw為河道斷面開挖土方量，m3。

2.2.2 優(yōu)化求解

式中：b為底寬；m為邊坡系數(shù)。

2.2.3 SQP算法

SQP法是求解約束條件下優(yōu)化的最有效的算法之一。

約束條件：

式中：Q為定值；i為底坡；n為粗糙系數(shù)。

與目標(biāo)函數(shù)（2）聯(lián)立。

2.3 實(shí)例分析

本次調(diào)研的中小河流單位長(zhǎng)度內(nèi)各分項(xiàng)工程單價(jià)如建模參數(shù)見表1。

表1 建模參數(shù)表

當(dāng)流量為38 m3/s時(shí)，正常水深h為3.52 m，安全超高為1 m，整個(gè)河道斷面高程為4.52 m，岸坡長(zhǎng)度7.52 m。

當(dāng)流量增加到60 m3/s時(shí)，水深h為4.44 m，安全超高為1 m，此時(shí)原堤頂加高1.25 m，此時(shí)岸坡長(zhǎng)度9.25 m。工程造價(jià)由常水位以下砼護(hù)坡加上常水位以上草皮護(hù)坡及堤頂填方組成，假設(shè)堤頂填方寬度為3 m，未優(yōu)化河道單位長(zhǎng)造價(jià)fc=7.7×56×2+70×1.12×2+3×8×2=1067.2元。

當(dāng)流量同樣為60 m3/s時(shí)，優(yōu)化后底寬b為4 m，邊坡m為0.63，岸坡長(zhǎng)度6.58 m，其中常水位以下砼護(hù)坡4.9 m，常水位以上草皮護(hù)坡0.63 m。優(yōu)化后單位長(zhǎng)度河道治理造價(jià)fc=868.88元。

河道優(yōu)化前和優(yōu)化后斷面，見圖2。

圖2 河道優(yōu)化前和優(yōu)化后斷面（尺寸單位：m）

通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，改變中小河流的傳統(tǒng)斷面形式，滿足了河流的防洪和生態(tài)要求，單位長(zhǎng)度的河道治理單價(jià)降低了198.32元，優(yōu)化效果顯著。

3 結(jié)論

通過調(diào)研贛州于都至廣東鶴山沿線水系，可以得出，以往的河道治理斷面設(shè)計(jì)往往基于經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上開展，缺乏一定的科學(xué)性和合理性，不滿足河道生態(tài)治理的要求。本文從經(jīng)濟(jì)性為出發(fā)點(diǎn)，在滿足生態(tài)治理的要求下，對(duì)多形式下的河流斷面進(jìn)行優(yōu)化分析。研究出了河流生態(tài)治理復(fù)合斷面成本優(yōu)化方法，雖然在影響因素考慮方面還有所欠缺，但對(duì)中小河流的生態(tài)治理具有一定的參考性。